Сферические подшипники скольжения для бурового оборудования

Общие сведения о сферических подшипниках скольжения

Сферические подшипники скольжения представляют собой специализированные элементы, которые обеспечивают надежное функционирование шарнирных соединений в условиях значительных нагрузок и угловых перекосов. В отличие от подшипников качения, работа этих узлов основана на принципе скольжения сферических поверхностей внутреннего и наружного колец относительно друг друга.

Подшипники типа GE и GEG широко применяются в буровом оборудовании благодаря способности компенсировать несоосность соединяемых деталей, воспринимать комбинированные радиальные и осевые нагрузки, работать в условиях ударных воздействий и вибраций. Конструкция шарнирного подшипника позволяет сохранять работоспособность при наличии загрязнений и перепадов температур, характерных для условий буровых работ.

Конструкция и принцип работы

Сферический подшипник скольжения состоит из двух основных элементов: внутреннего кольца со сферической наружной поверхностью и наружного кольца с соответствующей сферической внутренней поверхностью. Внутреннее кольцо имеет цилиндрическое отверстие для установки на вал или ось, а наружное кольцо устанавливается в корпус оборудования.

Основные конструктивные элементы

Внутреннее кольцо изготавливается из высокопрочной подшипниковой стали марок ШХ15, ШХ15СГ или нержавеющей стали 95Х18Ш. Наружная сферическая поверхность внутреннего кольца может иметь различные покрытия в зависимости от типа подшипника. Наружное кольцо также выполняется из подшипниковой стали и может быть цельным или разъемным в зависимости от конструкции узла.

Принцип работы основан на взаимном скольжении сферических поверхностей при приложении нагрузки. Сферическая форма контакта обеспечивает самоустановку подшипника, позволяя компенсировать угловые отклонения вала от 3 до 7 градусов в зависимости от конструкции. Это особенно важно для шарнирных соединений бурового оборудования, где происходят колебательные движения с небольшими углами поворота.

Пары трения

Существуют две основные комбинации материалов контактных поверхностей:

Сталь-сталь используется в подшипниках серий GE ES и GEG ES, требующих регулярного технического обслуживания. Такая пара трения обеспечивает высокую несущую способность, устойчивость к ударным нагрузкам и длительный срок службы при правильной смазке. Подшипники этого типа имеют смазочные канавки и отверстия для периодического пополнения смазочного материала.

Хромированная сталь-PTFE применяется в необслуживаемых подшипниках серий GE C и GEG C. Политетрафторэтилен обеспечивает низкий коэффициент трения, защиту от коррозии и возможность работы без дополнительной смазки в течение всего срока службы. Такие подшипники особенно эффективны в условиях, где регулярное обслуживание затруднено или невозможно.

Типы подшипников серий GE и GEG

Серия GE ES - обслуживаемые подшипники стандартной ширины

Подшипники серии GE ES представляют собой радиальные сферические подшипники скольжения с парой трения сталь-сталь. Конструктивной особенностью является наличие кольцевой канавки и двух смазочных отверстий на внутреннем и наружном кольцах, что обеспечивает возможность регулярной подачи пластичной смазки в зону трения. Эти подшипники предназначены для работы при высоких статических и динамических нагрузках, включая ударные воздействия.

Диапазон внутренних диаметров серии GE ES составляет от 12 до 320 мм. Подшипники могут выпускаться как в открытом исполнении, так и с резиновыми уплотнениями с обеих сторон, обозначаемыми индексом 2RS. Уплотнения защищают рабочие поверхности от проникновения загрязнений и удерживают смазку внутри подшипника.

Серия GEG ES - обслуживаемые подшипники увеличенной ширины

Подшипники серии GEG ES отличаются от GE ES увеличенной шириной внутреннего кольца и большим наружным диаметром при одинаковом внутреннем диаметре. Это конструктивное решение позволяет повысить несущую способность подшипника при том же внутреннем диаметре, а также упрощает установку в узлах, где требуется использование проставочных втулок с обеих сторон внутреннего кольца.

Больший наружный диаметр серии GEG обеспечивает увеличенную площадь контакта и, соответственно, более высокую динамическую и статическую грузоподъемность по сравнению с серией GE при одинаковом диаметре отверстия. Подшипники GEG ES также оснащены системой смазочных канавок и отверстий для регулярного обслуживания.

Серия GE C и GEG C - необслуживаемые подшипники

Необслуживаемые подшипники серий GE C и GEG C имеют контактную пару хромированная сталь-PTFE. Внутреннее кольцо покрыто хромом, а на внутренней поверхности наружного кольца нанесен композитный слой на основе политетрафторэтилена. Эта комбинация обеспечивает низкий коэффициент трения и возможность работы без дополнительной смазки.

Подшипники защищены резиновыми уплотнениями с обеих сторон, которые предотвращают попадание загрязнений в рабочую зону. Несмотря на то, что подшипники не требуют повторной смазки, необходим регулярный визуальный контроль состояния уплотнений и наличия внешних повреждений. Серия GEG C, как и обслуживаемая версия, имеет увеличенную ширину и большую грузоподъемность.

Применение в буровом оборудовании

Шарнирные соединения мачт буровых установок

Мачта буровой установки представляет собой основную несущую конструкцию, которая в транспортном положении укладывается горизонтально, а перед началом работ переводится в вертикальное рабочее положение. Шарнирное соединение нижней части мачты с рамой установки выполняется с использованием сферических подшипников скольжения, обеспечивающих надежное крепление при минимальных затратах на обслуживание.

Подшипники в этом узле воспринимают значительные радиальные нагрузки от веса мачты и бурового инструмента, а также осевые усилия, возникающие при переводе мачты из транспортного положения в рабочее. Колебательные движения мачты во время буровых работ создают переменные нагрузки, для работы в которых оптимально подходят сферические подшипники скольжения серий GE и GEG.

Шарниры стрел и манипуляторов

Стрелы буровых и крано-манипуляторных установок имеют многозвенную конструкцию с шарнирными соединениями между секциями. Каждый шарнир оснащается сферическими подшипниками скольжения, которые обеспечивают качательные движения стрелы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Подшипники в этих узлах работают при значительных моментных нагрузках, обусловленных вылетом стрелы и массой поднимаемого груза.

Применение подшипников серии GEG с увеличенной шириной позволяет повысить жесткость шарнирного соединения и распределить нагрузку на большую площадь контакта. Это особенно важно для буровых установок с большой глубиной бурения, где масса бурового инструмента достигает нескольких тонн.

Аутригеры и опорные стойки

Аутригеры представляют собой выдвижные опорные устройства, которые обеспечивают устойчивость буровой установки в рабочем положении. Конструкция аутригера включает телескопическую балку, гидроцилиндр выдвижения и опорную плиту. Шарнирное крепление аутригера к раме машины выполняется с помощью сферических подшипников скольжения.

Подшипники в узлах аутригеров работают в тяжелых условиях: они воспринимают статические нагрузки от веса оборудования и динамические усилия при буровых работах, подвергаются воздействию вибраций, должны обеспечивать компенсацию угловых отклонений при установке на неровной поверхности. Для этих применений часто используются необслуживаемые подшипники серии GEG C, которые не требуют регулярной смазки и защищены от загрязнений уплотнениями.

Вращатели и карданные передачи

Вращатель буровой установки предназначен для передачи крутящего момента на буровой инструмент. Карданные соединения, обеспечивающие передачу вращения при угловом смещении осей, также оснащаются сферическими подшипниками скольжения. В этих узлах подшипники работают при постоянном вращении с относительно небольшими углами качания.

Применение подшипников серии GE ES с регулярной смазкой обеспечивает длительный срок службы карданных шарниров при интенсивной эксплуатации. Смазочные канавки и отверстия позволяют производить пополнение смазки без разборки узла через пресс-масленки.

Технические характеристики

Основные размеры и грузоподъемность серии GE ES

В таблице представлены типоразмеры серии GE ES, где d - внутренний диаметр подшипника, D - наружный диаметр, B - ширина внутреннего кольца, C - ширина наружного кольца, C dyn - динамическая грузоподъемность, C stat - статическая грузоподъемность. Данные приведены в соответствии с каталогами ведущих производителей подшипников.

Характеристики серии GEG ES

Подшипники серии GEG при одинаковом внутреннем диаметре с серией GE имеют больший наружный диаметр и ширину, что обеспечивает существенное увеличение грузоподъемности. Например, GEG 40 ES имеет динамическую грузоподъемность 166 кН против 100 кН у GE 40 ES.

Допустимые угловые отклонения

Требования к смазке и обслуживанию

Смазка подшипников с парой трения сталь-сталь

Подшипники серий GE ES и GEG ES требуют регулярного технического обслуживания с применением пластичных смазок. Система смазки включает кольцевую канавку на внутреннем и наружном кольцах и смазочные отверстия, через которые производится подача смазочного материала. Смазка подается под давлением через пресс-масленку, установленную в корпусе оборудования.

Рекомендуется использовать литиевые или кальциевые консистентные смазки с противозадирными присадками класса EP. Такие смазки обеспечивают эффективную защиту металлических поверхностей от износа при высоких контактных давлениях, характерных для шарнирных соединений бурового оборудования. Вязкость базового масла смазки подбирается в зависимости от температурных условий эксплуатации.

Интервалы обслуживания

Периодичность смазки зависит от интенсивности эксплуатации оборудования и условий работы. При нормальных условиях эксплуатации буровой установки рекомендуется производить смазку шарнирных подшипников через каждые 50-100 моточасов работы. При работе в запыленных условиях или при повышенных нагрузках интервал смазки сокращается до 30-50 моточасов.

Признаками необходимости внеплановой смазки являются: повышенный шум при работе шарнирного соединения, увеличение температуры подшипникового узла, затрудненное движение в шарнире, появление люфта в соединении. При обнаружении этих признаков необходимо немедленно произвести смазку подшипника и провести визуальный осмотр узла.

Особенности эксплуатации необслуживаемых подшипников

Подшипники серий GE C и GEG C с контактной парой хромированная сталь-PTFE не требуют регулярной смазки в течение всего срока службы. Композитный слой политетрафторэтилена обеспечивает постоянный низкий коэффициент трения и защиту от коррозии. Резиновые уплотнения предотвращают попадание загрязнений в рабочую зону и сохраняют первоначальное количество смазочного материала, заложенного при изготовлении.

Несмотря на отсутствие необходимости в повторной смазке, необслуживаемые подшипники требуют периодического контроля технического состояния. Рекомендуется проводить визуальный осмотр узлов через каждые 100-200 моточасов работы или при проведении регламентного технического обслуживания буровой установки. Проверяется состояние уплотнений, наличие механических повреждений колец, отсутствие течей смазочного материала.

Рекомендуемые смазочные материалы

Особенности монтажа и эксплуатации

Подготовка посадочных поверхностей

Перед установкой сферического подшипника необходимо тщательно очистить посадочные поверхности вала и корпуса от загрязнений, коррозии и остатков старой смазки. Поверхности должны быть гладкими, без задиров, рисок и других дефектов. Допустимая шероховатость посадочных поверхностей регламентируется техническими требованиями к подшипниковым узлам.

Для внутреннего кольца подшипника обычно используется посадка с натягом типа k6 или m6, обеспечивающая надежное крепление кольца на валу без проворачивания. Наружное кольцо устанавливается в корпус с посадкой H7 или H8, допускающей осевое перемещение кольца для компенсации температурных расширений. Конкретные рекомендации по посадкам указываются в технической документации на оборудование.

Процедура монтажа

Установка подшипника на вал может производиться в холодном или горячем состоянии в зависимости от величины натяга. При небольших натягах подшипник напрессовывается на вал с помощью гидравлического или механического пресса через оправку, передающую усилие на торец внутреннего кольца. Запрещается передавать монтажное усилие через наружное кольцо или тела качения.

Для подшипников с большим натягом применяется тепловой метод монтажа. Внутреннее кольцо нагревается в масляной ванне или индукционным нагревателем до температуры 80-100°C, после чего быстро устанавливается на вал. При остывании кольцо обжимает вал, создавая надежное соединение. Необходимо контролировать температуру нагрева, чтобы избежать повреждения материала подшипника.

Контроль монтажа

После установки подшипника необходимо проверить правильность монтажа. Внутреннее кольцо должно быть плотно посажено на вал без зазора и люфта. Наружное кольцо должно свободно перемещаться в корпусе в осевом направлении при отсутствии осевых упоров. Подшипник должен обеспечивать плавное качание без заеданий и повышенного трения.

Проверяется соосность установки подшипника относительно ответной детали шарнирного соединения. Отклонение от соосности не должно превышать допустимых значений, указанных в конструкторской документации. После монтажа необходимо произвести первичную смазку подшипникового узла согласно требованиям технической документации.

Требования к условиям эксплуатации

Сферические подшипники скольжения серий GE и GEG рассчитаны на работу при температурах от -40°C до +120°C для подшипников с парой трения сталь-сталь и от -50°C до +180°C для необслуживаемых подшипников с PTFE покрытием. При эксплуатации в условиях низких температур необходимо использовать морозостойкие смазки с соответствующими температурными характеристиками.

Подшипники работоспособны при колебательных движениях с частотой до 30-50 циклов в минуту и амплитудой угла качания до 7 градусов. При вращательном движении скорость скольжения не должна превышать 0,3-0,5 м/с для обеспечения нормальных условий смазки. Превышение допустимых скоростей приводит к интенсивному нагреву подшипника и разрушению смазочного слоя.

Критерии подбора подшипников

Расчет требуемой грузоподъемности

Основным критерием при выборе сферического подшипника является соответствие его грузоподъемности действующим нагрузкам. Статическая грузоподъемность определяет максимальную нагрузку, которую может воспринять неподвижный подшипник без остаточных деформаций. Динамическая грузоподъемность характеризует способность подшипника работать при колебательных или вращательных движениях.

Для шарнирных соединений бурового оборудования, работающих преимущественно в режиме колебательных движений с небольшими углами качания, основное значение имеет статическая грузоподъемность. Расчетная нагрузка на подшипник должна быть меньше статической грузоподъемности с коэффициентом запаса не менее 1,5-2,0 для обеспечения надежной работы в течение заданного срока службы.

Выбор типа подшипника

Выбор между обслуживаемыми подшипниками серий GE ES, GEG ES и необслуживаемыми GE C, GEG C определяется условиями эксплуатации и требованиями к техническому обслуживанию. Подшипники с парой трения сталь-сталь рекомендуются для применений с высокими нагрузками, ударными воздействиями и возможностью регулярного обслуживания.

Необслуживаемые подшипники с PTFE покрытием целесообразно применять в узлах с ограниченным доступом для обслуживания, при работе в условиях значительных загрязнений, когда регулярная смазка затруднена. Однако необходимо учитывать, что грузоподъемность необслуживаемых подшипников обычно на 20-30 процентов ниже, чем у обслуживаемых подшипников того же размера.

Выбор между сериями GE и GEG

Подшипники серии GEG с увеличенной шириной обеспечивают более высокую грузоподъемность и жесткость шарнирного соединения по сравнению с серией GE при одинаковом внутреннем диаметре. Применение серии GEG целесообразно в следующих случаях: высокие моментные нагрузки на шарнирное соединение, необходимость повышенной жесткости узла, ограниченные габариты по наружному диаметру при требуемой высокой грузоподъемности.

Серия GE с меньшим наружным диаметром применяется при ограничениях по габаритам корпусной детали, умеренных нагрузках на шарнирное соединение, необходимости снижения массы конструкции. В большинстве применений в буровом оборудовании предпочтение отдается серии GEG благодаря повышенной грузоподъемности и надежности.

Вопросы и ответы